Экологические аспекты повышения продуктивности агроэкосистем в черноземной степи Саратовского Правобережья

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Актуальность темы. В экономике сельскохозяйственных предприятий ведущая роль принадлежит производству зерна. Большая изменчивость гидротермических условий произрастания зерновых культур, которая является экологической особенностью функционирования агроэкосистем в черноземной степи, а также неосвоенность научно обоснованных систем земледелия приводят к значительным колебаниям урожайности.

Низкая урожайность зерновых культур и большая амплитуда ее колебаний свидетельствуют о высокой зависимости производства зерна от погодных условий. Так, в Саратовской области средняя урожайность зерновых культур за период с 1990 г. по 2005 г. изменялась от 3,9 ц/га в 1998 г. до 18,5 ц/га - в 1997 г., а валовой сбор зерна - от 1,2 до 5,7 млн.т.

Одним из приемов улучшения использования биоклиматического потенциала и повышения продуктивности пашни является возделывание в агроэкосистемах взаимодополняющих видов культур. На это в своих работах обращали внимание Н.М. Тулайков, Р.Э. Давид, П.Г. Кабанов и другие. В этой связи возникает необходимость экологического обоснования и выяснения эффективности производства зерна при совместном использовании в агроэкосистемах культур разных биологических групп - озимых, ранних и поздних яровых.

Исследования по теме диссертации являются частью темы 03.01.01 «Провести исследования по конструированию высокопродуктивных и устойчивых агроландшафтов, совершенствованию севооборотов и ресурсосберегающих почвоохранных технологий для условий Поволжья», выполненной отделом земледелия и агротехнологий ГНУ НИИСХ Юго-Востока РАСХН в 2001-2005 гг.

Цель и задачи исследований - разработать агротехнические приемы улучшения использования биоклиматического потенциала и повышения продуктивности пашни в засушливой черноземной степи Саратовского Правобережья.

Для достижения поставленной цели предусматривалось решение следующих задач:

* установить зависимости урожайности озимой и яровой пшеницы, проса от гидротермических условий, складывающихся в межфазные периоды онтогенеза;

* изучить влияние изменений климата на сроки посева озимой пшеницы, яровой пшеницы и проса;

* выяснить продуктивность агроэкосистем в зависимости от удельного веса в них культур разных биологических групп;

* выяснить эффективность использования пашни при возделывании в севообороте культур с асинхронным прохождением этапов органогенеза;

* дать биоэнергетическую, экологическую и экономическую оценку агроэкосистемам при возделывании в них культур с асинхронным прохождением этапов органогенеза.

Материалом для исследований послужили результаты длительных стационарных полевых опытов отдела земледелия ГНУ НИИСХ Ю.-В., гидрометеорологическая информация по метеостанции Саратов ЮВ, информация климатических справочников и литературные источники по исследуемой теме.

Научная новизна. Впервые в зоне засушливой черноземной степи Саратовского Правобережья на основе длительных стационарных опытов исследованы корреляционные зависимости урожайности озимой пшеницы, яровой пшеницы и проса с агрометеорологическими факторами. Выявлены биологические особенности произрастания данных культур. Определены оптимальные агрометеорологические условия по межфазным периодам вегетации. Установлены основные закономерности продукционного процесса в осенний и весенне-летний периоды вегетации. Выяснены эффективность использования биоклиматического потенциала культурами со смещенным прохождением этапов органогенеза и продуктивность пашни при их совместном возделывании в агроэкосистемах. С учетом изменений климата обоснованы сроки посева озимой, яровой пшеницы и проса. Доказана высокая биоэнергетическая эффективность возделывания в агроэкосистемах культур, относящихся к различным биологическим группам.

На защиту выносятся следующие положения:

* взаимосвязи урожайности озимой и яровой пшеницы, проса с основными агрометеорологическими факторами в черноземной степи Саратовского Правобережья;

* фитоценотическая совместимость культур разных биологических групп;

* обоснование возможности повышения устойчивости и увеличения производства зерна путем возделывания культур с асинхронным прохождением этапов органогенеза;

* биоэнергетическая, экологическая и экономическая оценка продуктивности зерновых культур в разных агроэкосистемах.

Практическая значимость и реализация результатов исследований.

В зоне черноземной степи Саратовского Правобережья обоснована целесообразность возделывания в агроэкосистемах экологических групп культур с различными требованиями к внешним условиям среды. Использование принципа компенсационности при построении агроэкосистем позволит увеличить производство зерна и повысить его устойчивость.

Установленные зависимости урожайности зерновых культур от агрометеорологических условий на разных этапах органогенеза дают возможность осуществлять биологический контроль за их ростом и развитием по показателям складывающихся гидротермических условий в период вегетации.

Результаты исследований прошли производственную проверку в ООО «Славное» Калининского района Саратовской области и внедрены на площади 800 га. Они подтвердили, что возделывание в севообороте озимых, ранних и поздних яровых культур повышает устойчивость производства и выход зерна с единицы севооборотной площади на 0,36 - 0,59 т.

Полученные данные могут быть использованы в учебном процессе вузов и колледжей в курсах общей биологии, экологии, агрометеорологии, а также включены в учебные пособия для студентов.

Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на научных форумах различного уровня: Всероссийской научно-практической конференции «Экологические проблемы промышленных городов» (Саратов, СГТУ, 2003); Всероссийской научно-практической конференции «Адаптивные технологии производства качественного зерна в засушливом Поволжье» (Саратов, НИИСХ Юго-Востока, 2003); Всероссийской научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения С.П. Хромова (Москва, 2004); Всероссийской конференции, посвященной 200-летию Казанского университета (Казань, 2004); Международной научно-практической конференции «Агроэкологическое состояние АПК: опыт, поиск, решения» (Саратов, СРИППКРКС АПК, 2005); на XII съезде Русского географического общества (С.-Петербург, 2005); основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на итоговых научных конференциях географического факультета СГУ (Саратов, 2005, 2006 гг.)

По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Декларация личного участия в выполнении работы. Автор с 2003 г. по 2006 г. принимал участие в наблюдениях и исследовательских работах на опытных полях отдела земледелия и агротехнологий ГНУ НИИСХ Юго-Востока. Им были обобщены литературные источники по теме диссертации, составлена методика исследований, обоснованы теоретические положения, проведены обработка и анализ многолетнего материала стационарных опытов отдела земледелия и агротехнологий ГНУ НИИСХ Юго-Востока, сделаны выводы и подготовлены рекомендации производству.

1. Условия и методика проведения наблюдений и исследований

Условия проведения исследований. Исследования проводились на опытном поле ГНУ НИИСХ Юго-востока, расположенном в северо-восточной части г. Саратова. Место проведения опытов по географическому положению является характерным для сухостепной зоны с умеренно холодной зимой, жарким летом и большой изменчивостью погоды в режиме увлажнения.

Почва опытного участка - чернозем южный, по гранулометрическому составу тяжелосуглинистый. Мощность гумусного горизонта 32 - 47 см. Содержание гумуса в пахотном слое - 4,6 - 5,4%. Реакция почвенного раствора - 6,8-7,2.

Водно-физические свойства пахотного слоя почвы имеют следующие показатели: плотность - 1,19 г/см3, плотность твердой фазы - 2,61 г/см3, максимальная гигроскопичность - 9,59%, влажность завядания - 14,9%, наименьшая влагоемкость - 34,0% от массы сухой почвы.

Средняя годовая температура воздуха в районе Саратова равна 5,3 оС. В течение года средняя месячная температура воздуха изменяется от -11,6С в январе до 21С в июле. Теплообеспеченность вегетационного периода по сумме температур выше 10С в среднем составляет 270С. Продолжительность вегетационного периода с суммой температур выше 5єC в среднем 193 дня.

Среднее годовое количество осадков - 451 мм. Запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы к началу весенних полевых работ в среднем - 125-150 мм. Величина гидротермического коэффициента Селянинова за вегетационный период в среднем - 0,83.

Схема и методика проведения опыта. Наблюдения и исследования велись на следующих вариантах стационарного опыта:

Таблица 1

агроэкосистема урожайность пашня яровой

Повторность в опыте принята трехкратная. Размещение вариантов систематическое в два яруса. Размер делянок 360 м2, учетная площадь 115 м2. Агротехника возделывания сельскохозяйственных культур соответствовала рекомендованной в зоне.

Особенность выполняемых исследований заключалась в том, что они велись на основе данных, полученных в длительных (1972-2005 гг.) полевых опытах.

Методика проведения исследований. Формирование продуктивности изучалось у зерновых культур, относящихся к разным биологическим группам: озимая пшеница, яровая пшеница, просо.

В годы наблюдений и исследований (2003-2005 гг.), проводимых автором, высевались районированные сорта зерновых культур. Уборку урожая осуществляли прямым комбайнированием комбайном «Сампо-500».

В опытах фенологические наблюдения проводились в соответствии с «Наставлением гидрометеорологическим станциям и постам» (1973). Влажность почвы определяли термостатно - весовым методом. Пробы почвы отбирали на глубину 1 м послойно через каждые 10 см в трехкратной повторности. Оценка обеспеченности температурных условий закаливания озимых культур и расчет оптимальной потребности растений в воде были проведены по методам П.Г. Кабанова (1975). Условия увлажнения вегетационного периода оценивали с помощью гидротермического коэффициента Селянинова (1928). Оптимальные экологические условия в разные периоды вегетации культур определяли по годам с максимальной урожайностью (120% и выше средней многолетней величины). Оценку степени изменчивости метеорологических величин по межфазным периодам развития исследуемых зерновых культур проводили согласно Б.А. Доспехову (1985). В основу расчетов биоэнергетической эффективности агроценозов и агроэкосистем положена «Методика биоэнергетической оценки технологий производства продукции растениеводства» (1983). Расчет экономической эффективности осуществляли по технологическим картам и нормативным справочникам по ценам, сложившимся на 01.09.2006 г.

Обработка экспериментальных данных велась статистическими методами корреляционного и дисперсионного анализа с использованием компьютерных программ SPSS 12.0 и Microsoft Excel 2000.

Основным материалом для исследований послужили данные стационарных опытов отдела земледелия и агротехнологий ГНУ НИИСХ Юго-Востока по урожайности культур, весенним запасам продуктивной влаги в метровом слое почвы и лаборатории агрометеорологии Саратов, ЮВ по температуре, осадкам, дефициту влажности воздуха, датам весеннего и осеннего перехода температур воздуха через 0,+5,+10ОС за период с 1972 г. по 2005 г.

2. Результаты исследований

Агроклиматические ресурсы и продуктивность зерновых культур черноземной степи Саратовского Правобережья.

Корреляционный анализ показал, что зависимость между урожайностью зерновых культур и агрометеорологическими величинами может носить как линейный, так и нелинейный характер. Поэтому рассчитывались не только коэффициенты линейной корреляции (ґ), но и значения корреляционных отношений (з).

Динамика температурного режима и теплообеспеченности посевов зерновых культур. За период исследований с 1972 г. по 2005 г. среднегодовая температура воздуха в регионе превысила климатическую норму на 1,1С, средняя температура зимнего сезона - на 2,4С, теплообеспеченность вегетационного периода - на 165-185С, а его продолжительность увеличилась на 5-6 дней.

Повышение температуры воздуха в первой и второй декадах апреля на 2,1 и 2,2С соответственно приводит к более раннему поспеванию почвы для весенних полевых работ и смещению сроков посева ранних яровых культур на 5-8 дней раньше относительно средней многолетней даты (26/IV-28/IV).

Установлена обратная линейная зависимость между урожайностью яровой пшеницы и числом аномально жарких дней в мае-июле (ґ = - 0,714±0,08), а у проса - между урожайностью и числом таких дней в июне-августе (ґ = - 0,519±0,12). У озимой пшеницы зависимость урожайности от числа дней с аномальными отклонениями температуры снижается (ґ = - 0,348±0,15). Это объясняется тем, что наибольшее их число наблюдается в июле, когда она проходит завершающие фазы развития - восковую и полную спелость. В годы с числом аномально теплых дней 21 и более озимая пшеница и просо могут снижать продуктивность соответственно на 56 и 42%, а яровая пшеница - на 93%.

Смещение осенних дат перехода температуры воздуха через +10, +5 и 0С на более поздние сроки привело к увеличению продолжительности осенней вегетации озимых культур на 5-6 дней. Средняя продолжительность периода с суммой эффективных температур составила 196-198 дней. В связи с этим создается необходимость в корректировке сроков посева озимых культур.

Условия влагообеспеченности и продуктивность зерновых культур. Исследование динамики внутригодового распределения осадков показало увеличение относительно климатической нормы осенне-зимних осадков (ноябрь - февраль) на 20%, в то время как осадки теплого периода (апрель - октябрь) остаются в пределах климатической нормы - 292 мм. Наблюдается уменьшение количества осадков в августе и мае и повышение средней месячной суммы в сентябре на 33%.

Установлено, что урожайность озимой пшеницы имела наибольшую связь с суммой осадков за период апрель - май (з = 0,389±0,15). В целом за период весенне-летней вегетации озимой пшеницы (апрель - июль) теснота связи оценивалась как умеренная (з =0,375±0,15). У яровой пшеницы значимая величина корреляции обнаружена с суммой осадков мая-июля (з =0,653±0,10). При этом наибольший вклад в формирование урожая вносили осадки мая - июня (з =0,593±0,11). Устойчивая зависимость продукционного процесса яровой пшеницы от осадков сохраняется на протяжении всего периода вегетации (з =0,540±0,12). Значимые коэффициенты получены при расчете взаимной корреляции урожайности проса с суммой осадков мая-июня (з = 0,685±0,09), в основном за счет осадков мая (з =0,646±0,10). Величина корреляции за весь вегетационный период (май-август) составила - з = 0,636±0,10. Связь урожайности проса с осадками предшествующего посеву периода можно объяснить их аккумуляцией в пахотном слое и положительным воздействием на элементы продуктивности I и II этапов органогенеза.

Значительные колебания осадков по годам и их неравномерное распределение в течение вегетационного периода является основной причиной снижения урожайности зерновых культур в черноземной степи Саратовского Правобережья (табл. 2).

Таблица 2. Количество осадков в отдельные периоды весенне-летней вегетации зерновых культур в годы с разным уровнем урожайности, мм.

Зависимость между урожайностью озимой пшеницы и запасами продуктивной влаги (ЗПВ) в метровом слое почвы незначимая (з = 0,286±0,16). Это можно объяснить тем, что в годы исследований урожай озимой пшеницы в большей степени определяли осенние и весенне-летние условия вегетации, а не весенние запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы, которые были достаточно высокими.

Корреляция между урожайностью яровой пшеницы и весенними ЗПВ в почве статистически значимая (з = 0,504±0,13). Однако стандартные отклонения самих исследуемых величин велики (отклонение урожайности у = 0,822±0,10, запасов влаги - у = 25±4). Поэтому использовать величину весенних ЗПВ в почве в качестве предиктора урожайности яровой пшеницы в условиях черноземной степи не представляется возможным. В годы с засушливой весной вследствие быстрого (в течение 7-10 дней) иссушения верхнего слоя почвы (0-3 см) узловые корни у яровых зерновых культур не образуются или имеют слабое развитие. В результате на фоне высоких весенних ЗПВ в почве урожайность культур может резко снижаться. У проса зависимость урожайности от весенних ЗПВ в почве оценивается как умеренная - з = 0,351±0,15.

Анализ результатов исследований свидетельствует, что уровень урожайности зерновых культур разных биологических групп в черноземной степи во многом определяют условия влагообеспеченности, складывающиеся в весенне-летний период. Гидротермический режим вегетационных периодов в годы исследований был контрастным: 12 лет можно характеризовать как влажные (ГТКV-IX?1,0); 8 лет как засушливые (0,6?ГТКV-IX?1,0) и 14 лет как очень засушливые (ГТКV-IX ?0,6). Наиболее благоприятные условия для формирования высокой продуктивности озимой пшеницы складывались в годы с увлажнением периода вегетации 1,0?ГТКV-IX<1,3, яровой пшеницы - с ГТКV-IX?1,0, проса - с 0,7?ГТКV-IX<1,0. В такие годы урожайность озимой пшеницы выше средней многолетней величины на 15%, яровой пшеницы - на 31%, проса - на 25%.

Комплексная оценка гидротермических условий вегетации показала, что озимые и поздние зерновые культуры более адаптированы к условиям засушливой черноземной степи, чем ранние яровые.

Биологические и агроэкологические особенности произрастания озимой пшеницы в черноземной степи Саратовского Правобережья.

Озимая пшеница, возделываемая в условиях черноземной степи, обладает более высокой потенциальной продуктивностью по сравнению с яровыми зерновыми культурами. При средней урожайности озимой пшеницы 3,38 т/га ее межгодовая изменчивость не превышает 38%.

Биологические и экологические особенности осенней вегетации озимой пшеницы. На основе анализа многолетних данных установлено, что оптимальным сроком посева озимой пшеницы, обеспечивающим до прекращения осенней вегетации образование 3-4 побегов на 1 растение и максимальную урожайность, следует считать период с 29 августа по 11 сентября. Весной продуктивная кустистость таких растений снижалась всего на 15-35% и составляла 2,5-2,7 стебля на 1 растение.

Посевы ранних сроков посева, несмотря на большую кустистость осенью (5,5-6,2 побега на 1 растение), имели меньшее число продуктивных стеблей на единицу площади, чем посевы оптимальных сроков. Поздние посевы озимых заметно снижали густоту всходов и, как правило, уходили в зиму в фазе всходов и 3-его листа. Весной продуктивная кустистость таких растений не превышала 1,4-1,9 стебля на 1 растение.

Высокая повторяемость лет (67%) с осадками менее 5 мм в период прохождения I этапа органогенеза ставили урожайность озимой пшеницы в зависимость от запасов продуктивной влаги в пахотном слое почвы в момент посева (з =0,470±0,14) и дефицита влажности воздуха (з =0,527±0,13). Рост урожайности отмечается при одновременном повышении запасов продуктивной влаги в пахотном слое почвы и понижении дефицитов влажности воздуха.

Запасы продуктивной влаги в пахотном слое парового поля в посев озимой пшеницы в среднем составляют 43-48 мм, по занятому пару - 14-20 мм. Межгодовая изменчивость влагозапасов пахотного слоя почвы по чистому пару 20%, по занятому пару - 80%.

Оптимальная продолжительность периода осеннего кущения озимой пшеницы - 32-36 дней. За этот период накапливается сумма эффективных температур равная 250-320С. Увеличение продолжительности осеннего кущения до 40 дней и более приводит к перерастанию растений, снижению зимостойкости и урожайности на 0,30-0,53 т/га относительно среднего многолетнего уровня (3,16…3,60 т/га).

Биологические и экологические особенности весенне-летней вегетации озимой пшеницы. Для реализации заложенного с осени потенциала урожайности озимой пшеницы необходимо, чтобы длина периода «возобновление вегетации - выход в трубку» (III-IV этапы органогенеза) была 35-39 дней. Продолжительность весеннего кущения зависит от осадков (0,908±0,03). В годы с количеством осадков менее 50% при средней многолетней сумме 30-40 мм продолжительность весеннего кущения сокращается до 23-25 дней. Урожайность в такие годы снижается на 20-23%. Корреляция урожайности с осадками статистически значимая (з = 0,517±0,13), в то время как с другими климатическими показателями слабая (с температурой и дефицитом влажности воздуха, с запасами продуктивной влаги в пахотном и метровом слоях почвы). Оптимальные условия для образования новых побегов и роста вегетативной массы создаются, когда от начала возобновления вегетации до выхода в трубку осадков выпадает 45-57 мм.

Реализация потенциальных возможностей культуры на V-VIII этапах органогенеза (выход в трубку - колошение) зависит от суммарных ресурсов запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы в период возобновления вегетации и количества осадков, выпавших за период (з = 0,475±0,14). Суммарные ресурсы влаги равные 225-237 мм в 68% от общего числа способствовали формированию урожая более 4,0 т/га.

На IX-X этапах органогенеза (цветение - молочная спелость) растениям озимой пшеницы необходимы условия увлажнения, соответствующие засушливым (гидротермический коэффициент 0,6…0,8). В такие годы температурный режим может быть ниже среднего многолетнего. Это приводит к уменьшению испарения с поверхности листьев и экономному расходу растениями почвенной влаги. Все вместе создает эффект частичной компенсации недостатка осадков. Оптимальные условия складываются при продолжительности периода 19-21 день, температуре воздуха 19-20С, дефиците влажности воздуха 10-11 гПа, сумме осадков 33-43 мм.

Для XI этапа органогенеза (молочная - восковая спелость) характерно ослабление зависимости продукционного процесса от абиотических факторов. Оптимальные условия определяются гидротермическими коэффициентами 0,7…0,9, температурой воздуха 20-21С, дефицитом влажности воздуха 11-12 гПа, суммой осадков 16-20 мм.

На XII этапе органогенеза (восковая - полная спелость) решающее значение для формирования урожая озимой пшеницы приобретают температура (з = 0,400±0,15) и дефицит влажности воздуха з = (0,446±0,14). В годы с температурой воздуха более 22С, дефицитом влажности воздуха более 13 гПа урожайность может снижаться на 0,5-0,6 т/га за счет резкого понижения выполненности зерна. В условиях достаточного увлажнения (ГТК?1,0) выпавшие осадки понижают температуру и дефицит влажности воздуха. Урожайность возрастает за счет хорошей выполненности и выравненности зерна.

Биологические и экологические особенности формирования продуктивности ранних и поздних яровых культур в черноземной степи Саратовского Правобережья.

Яровая пшеница. Колебания урожайности яровой пшеницы по годам более значительные, чем озимой пшеницы. При средней урожайности 1,56 т/га ее межгодовая изменчивость составляет 53%. Наибольшая связь урожайности яровой пшеницы на I и II этапах органогенеза определяется запасом влаги в пахотном слое почвы в посев и осадками, выпадающими в период «посев - кущение» (з = 0,637±0,10). Осадки повышают содержание влаги в посевном слое и улучшают условия для кущения растений и образования узловых корней. Важным приемом регулирования условий, влияющих на рост и развитие растений на I и II этапах органогенеза, является посев пшеницы в оптимальные сроки. Ранние сроки посева имеют преимущество, поскольку формирование элементов продуктивности проходит при большем содержании влаги в почве, более низких температурах и дефиците влажности воздуха. На III-IV этапах органогенеза зависимость урожайности от суммарного количества влаги, содержащейся в пахотном слое и выпадающей в виде осадков, еще сохраняется (з = 0,529±0,12).

Установлено, что корреляция урожайности только с суммой осадков за период «посев - колошение» составляет з = 0,567±0,12, а с учетом весенних ЗПВ в метровом слое почвы она увеличивается до з = 0,629±0,10. В высокоурожайные годы суммарная величина запасов влаги и количества осадков составляла 232 -250 мм, в годы с низкой урожайностью - 146-156 мм.

По температурному режиму наиболее неблагоприятными являются условия прохождения III-IV этапов органогенеза (кущение - выход в трубку). Отклонения средних многолетних температур от оптимальных в этот период достигают максимальных значений (1,9С) (табл. 3).

Таблица 3. Качественная характеристика условий вегетации яровой пшеницы (1972-2005 гг.)

Высокие температуры воздуха обусловливают увеличение дефицита влажности воздуха, что отрицательно влияет на формирование урожая Оптимальное соотношение осадков и температуры воздуха складывается при ГТК от 0,8 до 1,0.

Большая (96%) межгодовая изменчивость осадков в период «выход в трубку - колошение» (IV-VIII этапы органогенеза) сказывается на устойчивости урожаев яровой пшеницы. Зависимость урожая от осадков в этот период достигает максимальных значений (з =0,522±0,12). В это время резко увеличивается испарение с поверхности почвы и усиливается процесс транспирации. Оптимальные условия складываются при ГТК от 0,9 до 1,3.

Зависимость урожайности от осадков сохраняется и при прохождении IX -XI этапов органогенеза (цветение - молочная спелость) (0,482±0,13). Оптимальные условия в период налива зерна определяются ГТК от 1,3 до 1,7.

На XI-XII этапах органогенеза (молочная - восковая спелость) отмечается максимальная (0,609±0,11) зависимость урожайности яровой пшеницы от дефицита влажности воздуха. Для нормального формирования зерновки необходимо, чтобы дефицит влажности воздуха был 7-10 гПа. Резкое снижение урожайности наблюдается в годы, когда средний дефицит влажности воздуха за период более 14 гПа. Засушливые явления в этот период могут приводить к недобору зерна даже при благоприятных гидротермических условиях в предшествующие периоды.

Просо. Для формирования высокой продуктивности проса требуются температурные условия на 2-3С выше, а осадков на 23-25% меньше, чем для яровой пшеницы. Средняя урожайность проса за годы исследований составляла 2,39 т/га, а его межгодовая изменчивость урожая не превышала 40%. Оптимальные агрометеорологические условия в период вегетации проса практически не отличаются от средних многолетних (табл. 4).

Таблица 4. Качественная характеристика условий вегетации проса (1972-2005 гг.)

Исследования показали, что лучшие сроки посева проса - вторая половина третьей декады мая - начало июня. Складывающиеся к этому времени агрометеорологические условия - средняя температура воздуха - 18-19 оС, дефицит влажности воздуха - 11-12 гПа и достаточные ЗПВ в пахотном слое почвы к моменту посева (более 40 мм) - способствуют повышению полевой всхожести семян, улучшению роста и развития растений на I и II этапах органогенеза.

Установлено, что в первой половине вегетации (посев - выметывание) основным фактором, влияющим на урожайность проса, является дефицит влажности воздуха в период «выход в трубку - выметывание» (V-VIII этапы органогенеза) (0,670±0,09). Если в фазу трубкования дефицит влажности воздуха выше 15 гПа наблюдается более 7 дней, то урожайность проса резко снижается. В период прохождения VIII-XI этапов органогенеза (выметывание - восковая спелость) эта связь несколько ослабевает (0,562±0,12). Существенное снижение урожая происходит, когда осадков за этот период выпадает менее 10 мм, а дефицит влажности воздуха превышает 15 гПа.

Отсутствие осадков на XII этапе органогенеза не приводит к значительному снижению урожая.

Оптимальное соотношение осадков и температуры воздуха в первую половину вегетации (посев - выметывание) складывается при ГТК от 0,9 до 1,3, во вторую (выметывание - полная спелость) - при ГТК от 0,5 до 0,7. В отличие от ранних яровых поздние яровые культуры в большей степени используют биоклиматический потенциал территории.

Формирование урожайности зерновых культур разных экологических групп в условиях черноземной степи Саратовского Правобережья.

Особенности прохождения межфазных периодов у культур разных экологических групп. Результаты исследований показали, что за период вегетации озимая и яровая пшеница, просо имеют по два критических периода (табл. 5).

Таблица 5. Средняя урожайность (т/га) зерновых культур при различных условиях увлажнения в критические периоды развития (1974-2005 гг.)

Критические периоды определялись по максимальной корреляции урожайности с агрометеорологическими факторами межфазных периодов вегетации.

Отличительной особенностью прохождения первого критического периода у озимой пшеницы являются высокие запасы влаги в почве, сравнительно низкие температуры и дефициты влажности воздуха, меньшая, чем у яровых культур, повторяемость лет (32%) с очень засушливыми условиями увлажнения. У яровой пшеницы - большая изменчивостью осадков по годам (70%), 56% повторяемость лет с условиями увлажнения ГТК?0,6. У проса - отзывчивость на увлажнение (при ГТК<1,0 в период «кущение - выход в трубку» оно значительно снижает урожайность), уменьшение повторяемости лет с очень засушливыми условиями до 41%, но и в эти годы просо превосходит по урожайности яровую пшеницу.

Второй критический период в развитии озимой пшеницы в большинстве лет по времени совпадает с первым критическим периодом яровой пшеницы. При благоприятных условиях осеннего развития и весеннего кущения озимая пшеница способна переносить июньскую засуху с меньшим снижением урожая, чем яровая. Зависимость урожайности яровой пшеницы от осадков связана с недостаточным содержанием доступной влаги в корнеобитаемом слое почвы. У проса второй критический период приходится на вторую половину июля. В это время продуктивность проса определяется дефицитом влажности воздуха. Исследования показали, что для проса гидротермические условия с ГТК = 0,6 и ГТК = 0,5 не являются фактором снижения продуктивности.

Продуктивность биологических групп зерновых культур в различных агроэкосистемах. Установлено, что возделывание озимой пшеницы по чистым парам позволяет повысить ее урожайность по сравнению с посевом по занятому пару на 21-35%. Колебания урожайности по годам в звене чистый пар - озимая пшеница составляет 44-46%, в звене занятый пар - озимая пшеница - 51%.

При размещении озимой пшеницы по чистому пару корреляция урожайности с содержанием влаги в пахотном слое почвы (0,14±0,16) и суммой осадков в августе-сентябре (0,41±0,14) значительно меньше по сравнению с размещением по занятому. В последнем случае корреляция возрастает до 0,56±0,11 и 0,75±0,09 соответственно.

В условиях черноземной степи озимая пшеница в 3, 4 и 7-польных зернопаровых и 6-польном зернопаропропашном севооборотах имела одинаковую урожайность - 3,23 - 3,37 т/га. Меньшая урожайность пшеницы получена в 2-польном севообороте - 3,02 т/га.

Лучшие предшественники яровой мягкой пшеницы - оборот пласта люцерны, кукуруза, просо. Размещение яровой пшеницы по этим предшественникам повышает степень использования биоклиматического потенциала и урожайность на 13,0 - 19,0% в зернопаровых и зернопаропропашном, на 20,0 - 26,0% - в зернопаротравяном севооборотах по сравнению с размещением после озимой пшеницы. После засушливых лет, когда получают невысокую урожайность яровой пшеницы, она, наряду с кукурузой и просом, является хорошим предшественником яровой пшеницы. Яровая твердая пшеница во всех видах имела урожайность меньше, чем яровая мягкая. Ее адаптивность к абиотическим факторам внешней среды ниже мягкой пшеницы.

Лучшим предшественником проса является озимая пшеница, после которой его урожайность на 0,11-0,38 т/га выше, чем после яровой твердой пшеницы. Размещение после озимой пшеницы и в минимальном удалении от чистого пара позволяет не только получить высокий урожай зерна, но и повысить стабильность его производства (вариационная изменчивость - 41%).

Исследование продуктивности культур в различных севооборотах показало, что наличие в них озимых, ранних и поздних культур обеспечивает повышение устойчивости и увеличение производства зерна с севооборотной площади. Так, в 2-польном севообороте, при возделывании озимых культур выход зерна с гектара севооборотной площади составил 1,51 т (табл. 6).

Таблица 6. Выход зерна с 1 га севооборотной площади, т (1986-2005 гг.)

Возделывание в севообороте только озимых культур ведет к снижению устойчивости агроэкосистемы (вариационный коэффициент 44%).

В 4-польном-II севообороте с двумя полями яровой пшеницы урожайность зерновых с гектара получена ниже, чем в 2-польном -1,42 т. Часто повторяющаяся весенняя засуха ограничивает возможность формирования урожайности ранних яровых. Замена одного поля яровой пшеницы в 4-польном севообороте просом (25% севооборотной площади) повышает выход зерна с гектара пашни до 1,84 т/га и увеличивает устойчивость продукционного процесса (вариационный коэффициент 34%).

Естественно, в условиях рыночных отношений, когда количество растениеводческой продукции определяется востребованностью рынка, выделение такой площади под просо в области не целесообразно. На части площади могут быть размещены другие поздние культуры, например, кукуруза на зерно или сорго.

Введение проса в 7-польный зернопаровой севооборот повышало выход зерна с гектара пашни до 1,78 т. По сравнению с 3-и 4-польным-II севооборотами выход зерна с единицы площади возрастал на 16 и 25% соответственно. В зернопаропропашном севообороте выход зерна в те же годы составил 1,26 т/га. Положительное влияние возделывания отличающихся по биологическим особенностям культур сохраняется и при снижении удельного веса проса в 7-польном севообороте.

На полях ООО «Славное» Калининского района Саратовской области возделывание в зернопаропропашном севообороте озимых, ранних и поздних яровых культур повышало производство зерна с единицы севооборотной площади на 0,36 - 0,59 т по сравнению с севооборотами, которые включали только озимую пшеницу и озимую и яровую пшеницу. Полученные результаты в стационарных опытах, а также в производственных условиях свидетельствуют, что в условиях черноземной степи использование принципа компенсационности при разработке полевых севооборотов, который достигается возделыванием в них культур разных биологических групп, позволяет повысить продуктивность пашни.

Экономическая, биоэнергетическая и экологическая оценка эффективности возделывания зерновых культур со смещенным периодом вегетации. Экономическая эффективность производства зерна в полевых севооборотах определяется набором возделываемых в них культур и ценами на товарную продукцию. Наибольшая рентабельность производства получена в двухпольном севообороте - 67%. Введение в севообороты яровой пшеницы (3 и 4-польный-II) и увеличение ее удельного веса (6-польные) снижают рентабельность производства зерна до 52-56% и 45-47%. Просо в 4-польном -I севообороте, несмотря на меньшую относительно пшеницы стоимость его зерна, повышает рентабельность производства (57%) по сравнению с 4-польным-II севооборотом (52%). В 7-польном севообороте, в связи с расширением площади яровой пшеницы и введением ячменя, имеющем низкую цену реализации, производство зерна оказалось наименее рентабельным - 41%.

Установлено, что в условиях черноземной степи энергоемкость производства озимой пшеницы (12 483 МДж/га) в 1,5 раза выше энергоемкости возделывания пшениц (8 406 МДж/га) и в 2 раза - проса (6 386 МДж/га). Максимальное количество энергии в урожае накапливала озимая пшеница - 50 730 МДж/га, что в 2,2 раза больше, чем у яровой и в 1,2 раза выше, чем у проса. Наибольший коэффициент энергетической эффективности оказался у проса - 6,89. У озимой пшеницы он составил - 4,06, у яровой - 2,76.

Влияние гидротермических условий на энергоемкость возделывания озимой, яровой пшеницы и проса не превышает 1%. Неравномерность распределения гидротермических ресурсов по вегетационному периоду, а также онтогенетическая специфика культур приводят к неодинаковому накоплению биологической энергии в урожае.

Анализ биоэнергетической эффективности по агроэкосистемам показал, что совокупные затраты на производство зерна (энергия возделывания) независимо от погодных условий на 15-17% выше в 4-польном-II севообороте за счет более низкого выхода валовой энергии ранних яровых культур с единицы площади и в 7-польном - за счет более высокой энергии, накапливаемой в урожае. Наибольший выход валовой энергии основной продукции с одного гектара пашни имели 4-польный-I и 7-польный севообороты, где урожайность всех биологических групп зерновых культур обеспечивала высокий биоэнергетический коэффициент - соответственно 4,49 и 3,95 (табл. 7).

Таблица 7. Биоэнергетическая эффективность агроэкосистем (1986-2005 гг.)

В годы с достаточным увлажнением накопление энергии в урожае в 4-польном-I и 7-польном севооборотах практически одинаковые. В сухие годы биоэнергетическая эффективность 7-польного севооборота на 16-17% ниже по сравнению с 4-польным-I (табл. 8).

Таблица 8. Биоэнергетическая эффективность агроэкосистем в годы с достаточными и сухими условиями увлажнения в мае-июне

Экологическое преимущество севооборотов, включающих поздние яровые культуры, проявлялось и в сухие годы. С повышением засушливости климата на фоне других агроэкосистем валовая энергия основной продукции в данных севооборотах в 3,2 -3,7 раза превышает энергетические затраты производства.

Таким образом, гидротермические ресурсы территории являются ограничивающим фактором биологической продуктивности как исследуемых агроценозов, так и агроэкосистем в целом. Регулирование биологической продуктивности в агроэкосистемах возможно за счет включения культур с асинхронным прохождением этапов органогенеза и подбора предшественников.

Заключение

ВЫВОДЫ

1. Среднегодовая температура воздуха в регионе за период с 1972 г. по 2005 г. превысила климатическую норму на 1,1С, среднемесячная температура зимних месяцев - на 2,4С. Рост температуры в первую половину апреля на 2,1-2,2С делает возможным смещение срока посева ранних яровых культур в сторону раннего на 5-8 дней относительно средней многолетней даты (26/IV-28/IV).

Смещение осенних дат перехода температуры воздуха через +10, +5 и 0С в эти годы привело к росту теплообеспеченности вегетационного периода на 165 -185С. Увеличение продолжительности периода активной вегетации создает условия для более широкого возделывания поздних культур и необходимость корректировки сроков посева озимых культур.

2. С 1972 г. по 2005 г. сумма осадков увеличилась относительно климатической нормы на 46 мм (8%) за счет роста осенне-зимних осадков. Наблюдается уменьшение количества осадков в мае и августе и повышение на 33% в сентябре. Максимальная корреляция урожайности с осадками получена у озимой пшеницы за период апрель-май (0,389±0,15), у яровой пшеницы - май-июль (0,653±0,10), у проса - май-июнь (0,685±0,09).

3. В период прохождения I и II этапов органогенеза урожайность озимой пшеницы, размещенной по чистому пару, имеет статистически значимую связь с дефицитом влажности воздуха и запасами влаги в слое почвы 0-30 см.

Оптимальная продолжительность периода осеннего кущения пшеницы, за который накапливается сумма эффективных температур равная 250-320С, 32-36 дней. Увеличение продолжительности периода до 40 дней и более к снижению зимостойкости и урожайности.

4. Период весеннего кущения озимой пшеницы (III - IV этапы органогенеза) должен быть не менее 35-39 дней. При сумме осадков менее 15-20 мм продолжительность периода сокращается до 23-25 дней, а урожайность снижается на 20-23%.

5. Продуктивность озимой пшеницы в период «выход в трубку - колошение» определяется суммарным запасом продуктивной влаги в метровом слое почвы после возобновления вегетации и количеством осадков. На IX-XI этапах органогенеза характерно ослабление зависимости продукционного процесса от абиотических факторов. На XII этапе решающее значение для формирования урожая озимой пшеницы приобретают температура и дефицит влажности воздуха. В сухие годы урожайность культуры может снижаться на 0,5-0,6 т/га за счет снижения выполненности зерна.

6. Использовать величину весенних запасов продуктивной влаги в почве в качестве предиктора урожайности яровой пшеницы не представляется возможным. На фоне высоких весенних запасов влаги урожайность у ранних яровых зерновых культур вследствие иссушения верхнего слоя и слабого развития узловых корней может резко снижаться. Наибольшая связь урожайности яровой пшеницы на I и II этапах органогенеза обнаружена с запасами влаги в пахотном слое почвы и осадками в период посев - кущение. В межфазный период «выход в трубку - колошение» урожайность пшеницы имеет статистически значимый коэффициент корреляционного отношения (0,502±0,13) с ГТК.

7. Во вторую половину вегетации урожайность яровой пшеницы зависит от дефицита влажности воздуха. Чем выше дефицит влажности воздуха в этот период, тем ниже урожайность.

8. Установлена значимая связь урожайности проса с продолжительностью вегетационного периода, периодов от посева до выметывания и от восковой до полной спелости. Основной фактор, влияющий на урожайность проса в первую половину вегетации, - дефицит влажности воздуха (0,670±0,09). Лучшим сроком для посева проса является вторая половина третьей декады мая - начало июня. Запаздывание с посевом проса ведет к иссушению почвы в пахотном слое и снижению урожая, что подтверждается коэффициентом корреляции с запасами в нем влаги - 0,516±0,14.

9. На основе математического моделирования определен комплекс метеоусловий критических периодов зерновых культур и выявлены различия в сроках их прохождения в черноземной степи. Возделывание в севооборотах культур со смещенным во времени прохождением этапов органогенеза позволяет снизить негативное действие экстремальных условий, складывающихся в период вегетации для отдельных из них.

10. Размещение зерновых культур по лучшим предшественникам в севооборотах повышает использование биоклиматического потенциала. Построение агроэкосистем с учетом принципа экологической взаимодополняемости обеспечивает увеличение выхода зерна на 16-20 % с гектара севооборотной площади.

11. Выяснено, что из культур разных биологических групп наибольшую биоэнергетическую эффективность возделывания имеют поздние зерновые, в частности, просо - 6,89. Меньший биоэнергетический коэффициент получен при возделывании яровой пшеницы - 2,76. Более высокий коэффициент биоэнергетической эффективности 4,49 и 3,95 достигнут в 4-польном-I и 7-польном севооборотах соответственно. Меньшая величина коэффициента энергетической эффективности получена в зернопропашном, зернопаропропашном и зернопаровых севооборотах без проса

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

1. В полевые севообороты хозяйств черноземной степи Саратовского Правобережья рекомендуется вводить культуры со смещенным периодом вегетации, что позволит улучшить использование биоклиматического потенциала, повысить без дополнительных затрат выход зерна с гектара севооборотной площади и устойчивость зернового производства.

2. Установленные взаимосвязи урожайности с гидротермическими факторами черноземной степи рекомендуется использовать для биологического контроля за ростом и развитием зерновых культур.

Литература

1. Васильева, М.Ю. Пути уменьшения антропогенного влияния на биосферу при возделывании зерновых культур в Нижнем Поволжье /М.Ю. Васильева, С.И. Пряхина, А.Б. Рыхлов // Экологические проблемы промышленных городов: сб. науч. трудов. - Саратов, 2003. - С. 144-148.

2. Васильева, М.Ю. Влияние климатических факторов на формирование качества зерна озимой пшеницы в Нижнем Поволжье /М.Ю. Васильева, С.И. Пряхина, Ю.Ф. Курдюков и др. // Адаптивные технологии производства качественного зерна в засушливом Поволжье. Материалы Всероссийской науч.-практич. конференции. (Саратов, 20-21 октября 2003 г.) - Саратов: ООО «Три А», 2003. - С.89-92.

3. Васильева, М.Ю. Фронто- и циклогенез в формировании засушливых погод в Нижнем Поволжье / М.Ю. Васильева, С.И. Пряхина, Ю.Н. Фридман // С.П. Хромов и синоптическая метеорология. Материалы Всероссийской научной конференции. (Москва, 13-14 октября 2004 г.). - Москва: Изд-во МГУ, 2004. - С. 57.

4. Васильева, М.Ю. Влияние изменения климата на этапы прохождения органогенеза зерновых культур в Нижнем Поволжье / М.Ю. Васильева, С.И. Пряхина, Ю.Н.Фридман и др. // Современные глобальные и региональные изменения геосистем. Материалы Всероссийской научной конференции, посвященной 200-летию Казанского университета. (Казань, 18-21 октября 2004 г.). - Казань: Изд-во КГУ, 2004. - С.364-366.

5. Васильева, М.Ю. Зависимость урожайности яровой пшеницы от сроков сева / М.Ю. Васильева, С.И. Пряхина, и др. // Известия Саратовского университета. Новая серия. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2004. - Т.4. - Вып. 1-2. - С. 155-156.

6. Васильева, М.Ю. Технологические приемы возделывания экологически чистой яровой пшеницы в услов...